安培力大小定量研究裝置*

唐素珍*

(石獅第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

安培力大小定量研究裝置*

唐素珍*

(石獅第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

高中教材中關(guān)于安培力的大小僅限于定性探究，安培力的大小公式F=BIL往往直接而生硬地給學(xué)生．本實(shí)驗(yàn)在課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將安培力的定性探究轉(zhuǎn)為定量探究，使得實(shí)驗(yàn)從定性過渡到定量，更符合學(xué)生的認(rèn)知的規(guī)律．

安培力 定量 實(shí)驗(yàn)

1 設(shè)計(jì)背景

“探究磁場對電流的作用”是《物理·選修3-1》司南版(山東科技出版社)第6章的第1節(jié)．教材中對安培力的大小探究只局限于定性探究安培力大小與磁場強(qiáng)弱B，電流大小I，以及通電導(dǎo)體在磁場中的長度L的關(guān)系．

定性實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)論只能說明：磁場越強(qiáng)、電流越大、通電導(dǎo)體在磁場中的長度越長，導(dǎo)體受到的安培力也就越大．并不能由此說明安培力F與B，I，L成正比，而得到安培力的大小公式：F=BIL．筆者為了解決此不足，自制了安培力大小定量研究裝置．現(xiàn)把實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置簡單介紹如下.

2 實(shí)驗(yàn)原理

導(dǎo)體棒跟磁場垂直放置，如圖1所示，用細(xì)線懸掛的導(dǎo)體棒受到安培力作用后偏離豎直方向一個(gè)角度θ，由平衡條件知

F=mgtanθ

當(dāng)θ很小時(shí)

其中l(wèi)為懸線的長度，x為導(dǎo)體棒在l與過O點(diǎn)的豎直線所在平面內(nèi)，導(dǎo)體棒截面到豎直線的距離.所以安培力

這樣，我們就可以通過測定x的值來確定F的大小了．

圖1 用細(xì)線懸掛的導(dǎo)體棒受到安培力的分析

3 實(shí)驗(yàn)裝置

(1)磁鐵.實(shí)驗(yàn)室的U形磁鐵7塊．事先用磁感應(yīng)強(qiáng)度測試儀測一下，選用磁感應(yīng)強(qiáng)度值相同的．在其背面貼上雙面膠，將其等間距固定在桌面上．

圖2 測定安培力大小的實(shí)驗(yàn)裝置

(2)導(dǎo)體棒.選用鋁制毛衣針，長度約為35 cm，質(zhì)量約為2.5 g．懸掛線是從多股導(dǎo)線中抽出來的細(xì)銅絲，上端與小夾子焊在一起，截取約50 cm長．導(dǎo)體棒懸掛在一根絕緣的水平橫梁上．整個(gè)導(dǎo)體棒上下都是活動(dòng)的．

(3)電源和電路.電源選用J1202學(xué)生電源，穩(wěn)壓2 A，變阻器為50 Ω，1.5 A，電流表為演示電流表，將它們串接起來便可．

(4)測定磁場力的標(biāo)尺和指針(測量裝置).根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，導(dǎo)體棒在磁場中偏轉(zhuǎn)的距離x，可以代表磁場力F的大小，測定這個(gè)x需在毛衣針上粘貼一個(gè)小指針(用一小紙片制成)，在磁鐵的一個(gè)側(cè)面貼上一段均勻刻度的標(biāo)尺，并使指針貼近標(biāo)尺，如圖3所示．

圖3 測定磁場力的標(biāo)尺和指針

4 操作說明

(1)通過給導(dǎo)體棒串聯(lián)一滑動(dòng)變阻器，通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值改變流經(jīng)導(dǎo)體棒的電流I，研究通電導(dǎo)體所受安培力F與電流I的關(guān)系．

(2)裝置中整個(gè)導(dǎo)體棒上下都是活動(dòng)的，所以可以通過移動(dòng)導(dǎo)體棒上端的夾子改變懸點(diǎn)位置，下端改變懸線與導(dǎo)體棒的接線位置來改變接入電路的導(dǎo)體的長度，研究通電導(dǎo)體所受安培力F與導(dǎo)體在磁場中的長度L的具體關(guān)系．

由于筆者水平有限，還未能解決安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的具體關(guān)系．因?yàn)榭紤]到裝置中如果撤去磁鐵，不但改變了磁感應(yīng)強(qiáng)度B，同時(shí)還改變了通電導(dǎo)體在磁場中的長度L．

5 實(shí)驗(yàn)過程

(1)保持通電導(dǎo)線在磁場中的長度L(L=7L0)一定，改變導(dǎo)線中的電流I(100，80，60，40，0 mA)，測定導(dǎo)線所受安培力F(x)，研究F(x)跟I的關(guān)系，表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

表1

(2)保持通電導(dǎo)線中的電流I(I= 100 mA)一定，改變導(dǎo)線在磁場中的長度L(用磁鐵數(shù)目表示，取7L0，5L0，3L0，1L0，0)，測定導(dǎo)線所受安培力F(x)，研究F(x)跟L的關(guān)系，表2為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．

表2

其中，L0為一塊磁鐵的長度．

(3)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論

1)作出位移x和電流I圖像，如圖4所示.

圖4 x-I圖像

從圖像上，我們可以看出，偏轉(zhuǎn)距離x與電流I成正比，x越大，反映安培力F越大．

結(jié)論1：安培力的大小F與電流I成正比

2)作出x-L圖像，如圖5所示.

圖5 x-L圖像

從圖像上，我們可以看出，x與L成正比，經(jīng)過分析，同理有安培力的大小F與通電導(dǎo)體在磁場中的長度L成正比．

結(jié)論2：安培力的大小F與通電導(dǎo)體在磁場中的長度L成正比

總結(jié)：綜上所述，安培力的大小F與與電流I成正比，與通電導(dǎo)體在磁場中的長度L成正比．

6 實(shí)驗(yàn)注意

(1)注意固定磁鐵時(shí)，兩塊磁鐵之間應(yīng)間隔一段距離，不能緊靠在一起，間距約為1.5 cm．

(2)由于銅棒受安培力發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，懸點(diǎn)處會(huì)有一定的扭轉(zhuǎn)力距．若是扭轉(zhuǎn)力距過大，銅棒偏轉(zhuǎn)不明顯，在測定導(dǎo)體棒在磁場中偏轉(zhuǎn)的距離x時(shí)就帶來較大的實(shí)驗(yàn)誤差．為此，在筆者在自制教具時(shí)，懸掛線的銅絲并不是直接纏繞在絕緣橫梁上，而是將銅絲焊在小夾子上，再讓小夾子夾住絕緣橫梁．

(3)電流不能太大．導(dǎo)體棒在磁場中偏離豎直方向的距離不能太大，最大只能幾個(gè)毫米，不然，由于導(dǎo)體棒在各個(gè)位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度不一致，會(huì)破壞線性關(guān)系．實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)體棒移動(dòng)的范圍應(yīng)在兩磁極中央，在磁極內(nèi)側(cè)的一小段范圍內(nèi)．

7 設(shè)計(jì)反思

本實(shí)驗(yàn)裝置取材簡單，原理明了，現(xiàn)象直觀．將課本中的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量實(shí)驗(yàn)．在教學(xué)中，更有說服力．但是，該實(shí)驗(yàn)裝置也存在一些不足：

(1)還未能解決安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的具體關(guān)系．因?yàn)榭紤]到裝置中如果撤去磁鐵，不但改變了磁感應(yīng)強(qiáng)度B，同時(shí)還改變了通電導(dǎo)體在磁場中的長度L；

(2)裝置U形磁鐵的磁場只有在端口處一小段范圍內(nèi)才是勻強(qiáng)磁場，所以實(shí)驗(yàn)中的精度要求要高，操作上顯得繁瑣．

**福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃常規(guī)果題“高中物理教材二次開發(fā)案例研究”，項(xiàng)目編號：FJJK15-454

2016-08-17)